材料拉伸时有哪些力学性能指标(材料的常规力学性能测试--拉伸试验（一）)

Posted 2023-05-29

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材料拉伸时有哪些力学性能指标(材料的常规力学性能测试--拉伸试验（一）)

概述

材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

根据作用在物体上的力又可分为静载荷：逐渐而缓慢地作用在工作上的力如机床床身的压力、钢索的拉力。动载荷：包括冲击及交变载荷如空气锤杆所受的冲击力、齿轮、弹簧。

适用范围

1、橡胶材料：橡胶制品，胶管，胶带，O型圈，轮胎等橡胶材料及制品。

2、塑料材料：塑料制品，薄膜，管材，板材，包装材料，尼龙制品，防水卷材等塑料材料及制品。

3、金属材料：金属制品，不锈钢制品，螺栓，钢丝，合金制品等金属材料及制品。

4、建筑材料：木材，板材，玻璃，混凝土，石墨制品等。

材料常规力学性能检测-拉伸试验

概述

测定材料在拉伸载荷作用下的一系列特性的试验，又称抗拉试验。它是材料机械性能试验的基本方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准和研究材料的性能。

性能指标

拉伸试验可测定材料的一系列强度指标和塑性指标。强度通常是指材料在外力作用下抵抗产生弹性变形、塑性变形和断裂的能力。材料在承受拉伸载荷时，当载荷不增加而仍继续发生明显塑性变形的现象叫做屈服。产生屈服时的应力，称屈服点或称物理屈服强度，用σS（帕）表示。工程上有许多材料没有明显的屈服点，通常把材料产生的残余塑性变形为 0.2%时的应力值作为屈服强度，称条件屈服极限或条件屈服强度，用σ0.2 表示。材料在断裂前所达到的最大应力值，称抗拉强度或强度极限，用σb（帕）表示。

塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力，常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。延伸率又叫伸长率，是指材料试样受拉伸载荷折断后，总伸长度同原始长度比值的百分数，用δ表示。断面收缩率是指材料试样在受拉伸载荷拉断后，断面缩小的面积同原截面面积比值的百分数，用ψ表示。

条件屈服极限σ0.2、强度极限σb、伸长率 δ和断面收缩率ψ是拉伸试验经常要测定的四项性能指标。此外还可测定材料的弹性模量E、比例极限σp、弹性极限σe等。

数据曲线

由试验机绘出的拉伸曲线，实际上是载荷－伸长曲线（见图），如将载荷坐标值和伸长坐标值分别除以试样原截面积和试样标距，就可得到应力－应变曲线图。图中op部分呈直线，此时应力与应变成正比，其比值为弹性模量，Pp是呈正比时的最大载荷，p点应力为比例极限σp。继续加载时，曲线偏离op，直到 e点，这时如卸去载荷，试样仍可恢复到原始状态，若过e点试样便不能恢复原始状态。e点应力为弹性极限σe。工程上由于很难测得真正的σe,常取试样残余伸长达到原始标距的0.01%时的应力为弹性极限，以σ0.01 表示。继续加载荷，试样沿es曲线变形达到s点，此点应力为屈服点σS或残余伸长为 0.2%的条件屈服强度σ0.2。过s点继续增加载荷到拉断前的最大载荷b点，这时的载荷除以原始截面积即为强度极限σb。在 b点以后，试样继续伸长，而横截面积减小，承载能力开始下降，直到 k点断裂。断裂瞬间的载荷与断裂处的截面的比值称断裂强度。

图1为拉伸标准试样及拉断后试样，试样上予先标出标距长度

图2为一般结构钢的拉伸(载荷一伸长)关系图

国家标准

GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》

高温拉伸试验

概述

高温拉伸试验是在室温以上的高温下进行的拉伸试验。高温拉伸试验时，除考虑应力和应变外，还要考虑温度和时间两个参量。温度对高温拉伸性能影响很大，因此对温度的控制要求很严格。试样一般采用电炉加热，炉子工作空间要有足够的均热带，用仪表进行自动控制温度。

作用

金属材料在高温下工作，而这个温度还不致于使材料发生蠕变现象，或者虽然该温度已可能发生蠕变现象，但由于工作时间很短，蠕变现象并没有起决定性的作用。在以上两种情况下，高温下短时拉力所测得的性能就成为衡量材料力学性能的重要指标。有时为了确定热加工的工艺，也需要测定材料在热加工温度下的短时拉伸性能力。

试验分析

金属材料的高温拉伸试验所规定的性能指标与常温拉伸试验时基本相同，但一般是测定抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率四大性能指标。由于做高温短时拉伸试验时，负荷持续时间的长短，对拉伸性能有显著影响。快速拉断短时高温拉伸试样时，抗拉强度值明显提高。如下图：

高温下短时拉伸试验几大指标的测定方法与常温下的测定方法基本类同。随温度的变化，四大指标的变化趋势如图所示：

研究应用

西安交通大学单智伟教授、马恩教授和美国麻省理工（MIT）李巨教授等人通过使用TEM内的纳米机械测试系统，对各向同性的亚微米级非晶硅（a-Si）样品进行了定量的压缩与拉伸测试。

这一工作开辟了一种尚未探索的材料内在拉伸-压缩不对称性机制。研究成果以“Tension–compression asymmetry in amorphous silicon”为题，发表在Nature子刊《Nat. Mater.》。这种异常的拉伸-压缩 (T-C) 不对称性同样适用于类似 a-Si 的其他材料，并对小尺寸 a-Si 微电子和微机电系统的应用提供了重要的指导意义。未来可能会激发发明具有新颖弹性的新材料。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01017-z